JP2007212238A

JP2007212238A - 水位検出装置、それを用いた水位検出方法

Info

Publication number: JP2007212238A
Application number: JP2006031292A
Authority: JP
Inventors: Tetsuji Hashimo; 哲司羽下; Nobuyuki Matsuoka; 伸幸松岡; Kenji Tanaka; 健二田中; Kenichi Shinbou; 健一新房
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-02-08
Filing date: 2006-02-08
Publication date: 2007-08-23

Abstract

【課題】カメラから得られた画像を処理することにより、河川の水位検出する場合、従来は量水板のような特別なマーカーが必要であった。また、マーカーを用いずに橋脚などの構造物と水面との交差である喫水線を画像処理によって抽出する場合、影など喫水線以外の影響を受けるという問題があった。
【解決手段】取り込んだ河川の画像からエッジ画像生成し、喫水線の探索範囲限定するために範囲指定を行い、探索範囲内のエッジ強度の分布から喫水線以外のエッジを除去し、エッジ画像から射影計算によって喫水線候補を抽出し、喫水線候補から水位を求める水位検出方法であり、特に、偽エッジ除去処理においては、探索範囲の輝度値を用いることで、水面に差し込んだ影の影響をなくして安定に喫水線を検出し、水位を検出するようにした。
【選択図】図１

Description

この発明は、カメラから取り込んだ河川の映像を処理することにより、喫水線の位置を検出するシステムに係わる技術に関するものである。

従来、液面の高さは、基準の水平面から液体の表面までの距離を測定するもので、フックゲージ、ポイントゲージ等で直接液位を測定するものやフローと浮かべてその変位を測定する方法があった。
また、液面の位置をカメラ画像で決定する方法としては、被測定液体の収容されるタンクなどの内壁（側壁）に設置されたマーカーの直線と、反射影の直線を検出することにより水位を検出する技術に関するものがあり、カメラなどから取り込まれた映像内で側壁上の斜めに配置された直線と、反射影の直線を検出することにより、水と空気の屈折率の違いによって生じる、直線がくの字に折れ曲がった点を見つけることにより、水面位置を求め、量水板上の数値あるいは目盛りを読み取ることによって水位を検出することができる（例えば特許文献１）。

特許第２９６４８７２号公報

上述の従来技術では、斜めに直線をマーキングした量水板が必要となり、通常の河川などで用いる場合その設置工事が必要となる。
また、例えばダムのように通常は水位が高く、稀に水位が極端に低下するような場所では、普段水中に沈んでいる部分に量水板を設置することができないため、水位低下時の検出ができないという問題がある。
このため特別な量水板のようなマーカーを不要とし、一般的に存在する橋脚などの構造物と水面との交差によって生じる喫水線を画像処理によって抽出し、水位を検出したい。しかし影など喫水線以外の偽のエッジの影響を取り除いて誤検出を防ぐ必要がある。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、特別な量水板のようなマーカーを不要とし、一般的に存在する橋脚などの構造物と水面との交差によって生じる喫水線を画像処理によって抽出し、水位を検出する方法を提供することを目的とする。

本発明の水位検出装置は、喫水線を含む撮影画像を取り込む画像入力手段と、取り込まれた画像に対してエッジ抽出処理を行いエッジ画像を作成するエッジ抽出手段と、前記エッジ画像上に設定された探索範囲内のエッジ情報のみを取り出す範囲指定手段と、前記探索範囲内のエッジ画像を一次元射影処理し、射影累積値パターンのピーク値に基づいて、前記エッジ画像上の直線部を検出する直線検出手段と、前記検出された直線部の候補から前記喫水線を抽出する水位検出手段とを備えたものである。

本発明の水位検出方法は、喫水線を含む撮影画像を取り込み、前記取り込まれた画像に対してエッジ抽出処理を行いエッジ画像を作成し、前記エッジ画像上に設定された探索範囲内のエッジ情報のみを取り出し、前記探索範囲内のエッジ画像を一次元射影処理し、射影累積値パターンのピーク値に基づいて、前記エッジ画像上の直線部を検出し、前記検出された直線部の候補と、前記探索範囲内の一次元射影処理の方向の軸に沿った画像の輝度分布とから前記喫水線を抽出し、水位を検出するものである。

この発明によれば、量水板のようなマーカーを不要とし、一般的に存在する橋脚などの構造物と水面との交差により生じる喫水線を、影など喫水線以外の偽のエッジの影響を取り除いて、安定に抽出することが可能となる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による水位検出装置の構成を説明する図である。図において、例えば撮像装置であるカメラ１から撮影された画像は画像情報入力手段２に取り込まれ、必要に応じて表示装置である画像モニター等に表示され監視対象となる。監視対象は検出する水位を示す水面を含む画像である。また画像入力手段２の画像情報は画像処理手段４で、所望の処理がなされ、画像情報から得られた水位が出力情報として、出力手段に出力される。出力された水位情報は必要に応じて表示装置３上に表示される。なお、画像処理手段４においては必要に応じて記憶手段６から前画像情報等を読み出して処理に使用する。

図２は、主に画像処理手段４における処理内容を示すフロー図である。まず、画像入力手段２から取り込まれた（ST 101）画像情報は、画像処理手段４内のエッジ抽出手段により処理がなされ、画像内の輝度分布からエッジ画像に変換される（ST 102）。次に、画像処理手段において、範囲指定手段により、エッジ画像のうち、予めユーザが設定した水位検出対象の水面を含む範囲内にあるエッジ情報のみを取り出し、記憶手段に格納される（ST 103）。次に、画像処理手段４内の偽エッジ除去手段により、設定された範囲内のエッジ情報のうち喫水線のエッジとは別の、例えば影などによって生じたエッジ、すなわち偽エッジ情報が取り除かれる（ST 104）。その後、ユーザが設定した範囲の内部にあるエッジ情報で、偽エッジを取り除いたものを用いて、画像処理手段４内の射影計算手段、直線検出手段により、二次元情報を一次元情報に射影計算を行い、直線を検出する（ST 105）。水位検知手段６では抽出された直線候補のうち、喫水線は最も下方にある、あるいは前フレームからの連続性を考慮する、といった条件に基づいて最終的に喫水線を検出してその位置を出力する（ST 106）。なお、判断条件や前フレームの画像情報、エッジ画像情報及び以下で説明する射影累積値、輝度分布等画像処理情報は記憶手段６に格納してもよい。検出された水位（喫水線）は出力手段５を介して、例えば表示装置３の画像上喫水線位置に表示される等所望の出力がなされる。

以下に、画像を用いた具体的な処理について説明する。図３は本発明の実施の形態１の水位検出方法に使用される対象画像の概要図で、写真を線画としたものである。図において、撮像画像１０は川１１の水位を検出するために、例えば橋脚１２及び水面１３のうち喫水線１５を含む範囲が探索範囲１４として設定されている。なお、撮像画像１０に示されるように、橋、橋脚１２の影による日陰部１６も水面１３には存在する。
図４は図３の画像のさらに一部を模式的に示したもので、本図においては日陰部を無視している。図中(a)は撮像画像１０a、(b)は撮像画像１０aをエッジ抽出処理したエッジ画像１０b、(c)はエッジ画像１０bから縦軸方向への射影計算の結果（射影累積値２０）の強度分布（パターン）図である。上述の図２のフローに基づき、撮像画像１０aからエッジ画像処理を行い、エッジ画像１０bのうち探索範囲１４の中で喫水線１５の候補を見つける。この画像では容易に喫水線１５が検出できる。すなわち、エッジ抽出手段によって抽出されたエッジ画像１０ｂから単純な射影計算による直線検出手段によって直線を見つける場合、射影計算によって射影累積値２０が得られ、その中のピーク２１の位置を検出することにより喫水線位置を求めることが出来る。

図５は撮像画像中探索範囲１４内に日陰部１６を有する場合の模式図であるが、図４と同様図５中(a)は撮像画像１０c、(b)は撮像画像１０cをエッジ抽出処理したエッジ画像１０d、(c)はエッジ画像１０dから縦軸方向への射影計算の結果（射影累積値２０）の強度分布図である。水面に影がさしこんで、橋脚１２と日陰の水面１３b以外にも、日陰の水面と日向の水面１３aとの間にも輝度差が生じてしまった場合、探索範囲１４の中で喫水線を見つけることは容易ではない。このとき図中(b)のエッジ画像１０dから単純な射影計算による直線検出を行うと、射影累積値２０からはエッジ累積のピーク２１Ａとピーク２１Ｂの２つのピークが生じる。

本発明の偽エッジ除去手段では、水面に影が差し込んだ場合に得られるエッジ画像１０dにおいて、喫水線のエッジは残して、影の境界部分に生じたエッジのみを取り除き、結果として水面に影の差し込んでいない場合に得られるエッジ画像１０と同じエッジ画像に変換する処理を行う。すなわち、２つのピークから喫水線のエッジによるピークを判断する。

次に偽エッジ除去手段の動作の説明を行う。図６、図７、図８、図９は偽エッジ除去手段の動作を説明する図である。
図６は図４と同じ条件（水面に影が差し込んでいない）で撮影された入力画像の、喫水線の上下周辺部分における輝度分布を説明するための図で、図中(a)は図４中(a)に相当し、図６中(b)は(a)中の探索範囲１４内の一部縦断面（例えば横方向の中央部分）１４Ａにおける画素値から得られた輝度分布２２を示している。このとき喫水線１５部分の輝度分布には両側からＶの字型に落ち込んだ輝度値の低い（極小値）部分２３が観測できる。この輝度値の極小値位置２３は図４のエッジ累積のピーク２１と同じ場所に現れる。

図７は図５と同じ条件（水面に影が差し込んでいる）で撮影された入力画像の、喫水線の上下周辺部分における輝度分布を説明するための図で、図中(a)は図５中(a)に相当し、図７中(b)は(a)中の探索範囲１４内の一部縦断面（例えば横方向の中央部分）１４Ｂにおける画素値から得られた輝度分布２２を示している。このとき喫水線１５部分の輝度分布には両側からＶの字型に落ち込んだ輝度値の低い第１の極小値位置２３ＡとＶ字型ではないが、急激に輝度が変動する第２の極小値位置２３Ｂとが観測できる。この輝度値の低い部分２３Ａは図５のエッジ累積のピーク２１Ａと同じ位置に現れる。また、Ｖ字型ではないが、急激に輝度が変動する部分２３Ｂは図５のエッジ累積のピーク２１Ｂと同じ位置に現れる。
これらの特性は、水面のように水平な部分と、橋脚のように垂直な構造物とが接する喫水線部分ではその形状がいずれの図からもわかるように三次元的に凹形状となり、光学的に周辺に対する輝度の落ち込みが生じることに起因しており、照明条件や光軸の向きに係わらずほぼ同じ傾向を示すことが確かめられている。また橋脚の下は、その上方の橋の影響によって日陰になりやすく、日陰部があっても喫水線部分の輝度値は探索範囲内ではほとんど全てのケースで最低輝度を示すことを確認した。

このように、撮影された入力画像の輝度分布を調べて比較することにより、図５のように水面に影が差し込んだ条件で撮影された入力画像で、真の喫水線と、影などの偽の喫水線とを区別することが可能であることがわかる。

次に、具体的な偽エッジ除去の方法を示す。
図８は図４と同じ条件（水面に影が差し込んでいない）で撮影された入力画像の、喫水線部分に生じたエッジ画像の射影累積ピーク２１と、喫水線とその上下周辺部分における輝度分布とを位置を合わせて示したものである。すなわち、図８中(a)、(b)はそれぞれ図４中(c)、図６中(b)を示し、これらを対比したものである。探索範囲内の輝度の最小値２４と最大値２５に着目すると、これら最小値と最大値との間の、ある内分比で求められる値２６よりも低い輝度値をもつ点の中に喫水線のエッジ点が含まれ、逆にその値２６よりも高い輝度値をもつ点の中には喫水線のエッジ点が含まれないことがわかる。

図９は図５と同じ条件（水面に影が差し込んでいる）で撮影された入力画像の、喫水線部分に生じたエッジ画像の射影累積のピーク２１Ａ、日陰部との境界部分に生じたエッジ画像の射影累積のピーク２１Ｂと、喫水線、その上下周辺部分における輝度分布の位置とを合わせて示したものである。図９においても、図８と同様に、探索範囲内の輝度の最小値２４Ａと最大値２５Ａに着目すると、これら最小値と最大値との間の、ある内分比で求められる値２６Ａよりも低い輝度値をもつ点の中に喫水線のエッジ点が含まれ、逆にその値２６Ａよりも高い輝度値をもつ点の中には喫水線のエッジ点が含まれず、影による偽のエッジが含まれていることがわかる。

そこで、探索範囲内の輝度の最小値ＭＩＮと最大値ＭＡＸを求め、ある内分比Ｘで求められる値ＴＨをしきい値として、そのしきい値よりも大きな輝度値をもつ点のエッジ情報をゼロにすることにより、喫水線のエッジのみを安定して取り出すことができる。
ここで、
ＴＨ＝ＭＩＮ＋（ＭＡＸ−ＭＩＮ）＊Ｘ
Ｘの値は0.25近傍の値を選択すればよい。たとえば、ディジタル画像では画像上の輝度が０から２５５までの２５６段階のディジタル値で表現されるのが一般的である。また通常の監視用カメラでは、撮影対象中の対象の色がたとえ極端に黒い場合でもアナログ−ディジタル変換されて取り込まれた後の輝度値が０となることはほとんどなく、多くの場合は日陰部でもダイナミックレンジ幅の下からおよそ４分の１程度よりも高い値を有することが一般的である。たとえば２５６段階の輝度諧調であれば、６４以上の輝度を有することが多い。このため日陰部と日向部との境界ではこの値以上になる。逆に喫水線の輝度は通常この値より小さくなる。上記式で、かりに輝度０を有する点がある場合は、ＴＨ＝６４となり、喫水線のエッジのみを含むしきい値となる。また、図９で示されるような場合もしきい値ＴＨ以下では喫水線に相当する位置で最小値をとる。すなわち、輝度の最小値の近傍のみ処理すれば喫水線の位置が検出できることになる。

以上の判断処理が、画像処理手段４において、偽エッジ除去手段によりなされる。これにより、水面に差し込んだ影による誤った喫水線の抽出を抑制することができる。

偽エッジ除去された残りのエッジ画像の直線を検出すれば、それが喫水線に相当することになる。

ある時間での喫水線位置が検出されると、出力手段により必要に応じて別の機器へ出力される。
なお、河川やダムでの水位監視においては喫水線位置が水位であり、喫水線位置の時間変化データを記憶手段に格納し、監視しておけば、異常上昇など容易に把握できる。

本発明の水位検出装置の構成を示す概略図である。本発明の水位検出方法を説明するためのフロー図である。本発明の水位検出装置の撮像装置で撮像される画像の一例を示す監視対象物を含む概略図である。本発明の水位検出方法を説明するための図で、(a)は図３の画像のさらに一部を模式的に示したもので、日陰部を無視した撮像画像、(b)は撮像画像をエッジ抽出処理したエッジ画像、(c)はエッジ画像から縦軸方向への射影計算の結果（射影累積値）の強度分布図である。本発明の水位検出方法を説明するための図で、(a)は図３の画像のさらに一部を模式的に示したもので、日陰部を含む撮像画像、(b)は撮像画像をエッジ抽出処理したエッジ画像、(c)はエッジ画像から縦軸方向への射影計算の結果（射影累積値）の強度分布図である。本発明の水位検出方法を説明するための図で、(a)は図４と同じ条件（水面に影が差し込んでいない）で撮影された入力画像で図４中(a)に相当し、(b)は (a)中の探索範囲１４内の一部縦断面（例えば横方向の中央部分）１４Ａにおける画素値から得られた輝度分布を示したものである。本発明の水位検出方法を説明するための図で、(a)は図５と同じ条件（水面に影が差し込んでいる）で撮影された入力画像で図５中(a)に相当し、(b)は (a)中の探索範囲１４内の一部縦断面（例えば横方向の中央部分）１４Bにおける画素値から得られた輝度分布を示したものである。本発明の水位検出方法を説明するための図で、図４と同じ条件（水面に影が差し込んでいない）で撮影された入力画像の、喫水線部分に生じたエッジ画像の射影累積ピーク２１と、喫水線とその上下周辺部分における輝度分布とを位置を合わせて示したもので、(a)、(b)はそれぞれ図４中(c)、図６中(b)を示し、これらを対比したものである。本発明の水位検出方法を説明するための図で、図５と同じ条件（水面に影を含むが差し込んでいる）で撮影された入力画像の、喫水線部分に生じたエッジ画像の射影累積ピーク２１と、喫水線とその上下周辺部分における輝度分布とを位置を合わせて示したもので、(a)、(b)はそれぞれ図５中(c)、図７中(b)を示し、これらを対比したものである。

符号の説明

１撮像装置(カメラ)、２画像情報入力手段、３表示装置、
４画像処理手段、５出力手段、６記憶手段、
１０、１０ａ、１０ｃ撮像画像、１０ｂ、１０ｄエッジ画像、
１１川、１２橋脚、１３、１３ａ、１３ｂ水面、
１４探索範囲、１４Ａ，１４Ｂ探索範囲の一部、１５喫水線、１６日陰部、
２０射影累積値、２１、２１Ａ、２１B ピーク位置、２２輝度分布、
２３輝度の最小値の位置、２３Ａ輝度の第１の極小値位置、
２３B 輝度の第２の極小値位置、２４、２４Ａ探索範囲の輝度最小値、
２５、２５Ａ探索範囲の輝度最大値、
２６、２６Ａ輝度最小値−最大値間の所定値。

Claims

喫水線を含む撮影画像を取り込む画像入力手段と、取り込まれた画像に対してエッジ抽出処理を行いエッジ画像を作成するエッジ抽出手段と、前記エッジ画像上に設定された探索範囲内のエッジ情報のみを取り出す範囲指定手段と、前記探索範囲内のエッジ画像を一次元射影処理し、射影累積値パターンのピーク値に基づいて、前記エッジ画像上の直線部を検出する直線検出手段と、前記検出された直線部の候補から前記喫水線を抽出する水位検出手段とを備えた水位検出装置。
探索範囲内において、一次元射影処理の方向の軸に沿った画像の輝度分布を求め、前記輝度分布と射影累積値パターンとの対比から偽エッジ情報を除去する偽エッジ除去手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の水位検出装置。
輝度分布のうち最小値近傍を喫水線位置とすることを特徴する請求項２に記載の水位検出装置。
喫水線を含む撮影画像を取り込み、前記取り込まれた画像に対してエッジ抽出処理を行いエッジ画像を作成し、前記エッジ画像上に設定された探索範囲内のエッジ情報のみを取り出し、前記探索範囲内のエッジ画像を一次元射影処理し、射影累積値パターンのピーク値に基づいて、前記エッジ画像上の直線部を検出し、前記検出された直線部の候補と、前記探索範囲内の一次元射影処理の方向の軸に沿った画像の輝度分布とから前記喫水線を抽出し、水位を検出する水位検出方法。